Опыт внедрения новых технологий в разработку проектов АСУТП

Впервой части интервью, которое дал нам руководитель отдела АСУ ОАО «Институт Стальпроект» В.В.Перепелов, было описано проектирование АСУТП с помощью CADdy—Электротехника, включая этап создания принципиальной схемы с автоматическим формированием всех необходимых перечней. Настоящий материал посвящен в основном этапу компоновки и выдачи итоговой документации в CADdy, а также программной реализации АСУ с помощью SCADA-систем WinCC и ProTool фирмы Siemens AG. Эти этапы разработки проекта представлены на примерах двух АСУ — для установки подготовки нефти и для стекловаренной печи.

САПР и графика: Какая документация выдается в CADdy—Электротехника перед этапом компоновки?

Виктор Перепелов: В первой части статьи мы описали набор автоматически генерируемых перечней по принципиальной схеме и привели пример перечня жил кабелей для проекта АСУТП установки подготовки нефти в Лангепасе. Создание проектной документации мы проиллюстрируем также на примере проекта АСУТП стекловаренной печи для винно-водочного завода в Кингисеппе (рис. 1), который осуществляется в сотрудничестве с уже упоминавшейся фирмой «Сенсоры — модули — системы» (СМС). Эта фирма участвует в указанном проекте как разработчик системы «верхнего уровня».

После построения принципиальной схемы создается целый ряд выходных документов, например таблица соединений (рис. 2). Параллельно из базы данных в перечень проекта дополнительно вносятся изделия или сборочные единицы, которые не входят в электрическую схему и являются элементами конструкции. Для обработки данных проекта модуль CADdy ET2 имеет все необходимые функции, в числе которых — фильтрация фрагментов проекта, возможность разложить сборочные узлы на простые изделия или объединить их в сборочный узел, добавление в текущий проект перечня аппаратов из другого проекта, перенос изменений из базы данных проекта в электрическую схему, копирование данных из других приложений CADdy, замена отсутствующих в CADdy ET2 элементов на функционально аналогичные изделия, а также расчет калькуляции всего проекта или его фрагмента с возможностью сравнения его стоимости с другим проектом.

В базе данных CADdy имеется поле, указывающее единицу измерения количества изделия (например, штуки для реле, клемм и переключателей или метры для кабелей, кабельных каналов, защитных трубок и т.п.). При расчете калькуляции проекта это определяет цену закупки и продажи, объем и вес, время и расходы на монтаж.

Формат таблицы подключений (рис. 3) может быть определен в соответствии с требованиями конкретного предприятия. Эти таблицы содержат по каждой клеммной колодке такие данные, как ее обозначение, номера или обозначения всех входящих в нее клемм, графическое изображение перемычек между клеммами, перечень всех кабелей, подключенных к колодке с указанием обозначения и типов кабелей, количества жил и их сечения, а также распределения жил кабеля по клеммам. В таблице указываются также адреса кабельной и блочной частей клеммной колодки, номера листов и зоны, где расположены клеммы. Перед формированием таблицы подключений можно дополнительно проконтролировать перечень клемм на правильность распределения адресов. Система CADdy—Электротехника предоставляет проектировщику также возможность графического описания подключений (рис. 4), до сих пор применяемого на многих отечественных предприятиях.

СГ: Расскажите подробнее о технологии создания чертежей компоновки.

В.П.: На этапе компоновки используется связанная информация, содержащаяся в базах данных трех модулей CADdy—Электротехника: CADdy ET1 (графические образы изделий), базы данных CADdy ET2 (карточки с данными изделия) и базы данных CADdy ET3 (конструктивы изделий).

Система CADdy—Электротехника в процессе компоновки работает с электронным перечнем элементов, полученным из принципиальной схемы и дополненным необходимыми данными о конструктивах (панелях, стойках, крепежных элементах и т.п.). Создание чертежа компоновки возможно не только на основе перечня элементов, но и путем непосредственного размещения ранее созданных графических символов изделий (в том числе содержащихся в электронных каталогах фирм-производителей). Если проектировщик создаст новую запись в базе данных модуля CADdy ET2 для каждого «заимствованного» изделия и свяжет ее с размещенным символом изделия, то система автоматически включит это изделие в базу данных конкретного проекта и во все соответствующие выходные документы.

После формирования общего перечня элементов подсистема CADdy—Электротехника сортирует оборудование, создавая перечень шкафов и других конструктивов, в которых должны быть размещены аппараты, перечень клеммных колодок, перечень электромагнитных элементов, а также любые дополнительные перечни, которые желает иметь разработчик проекта. В результате суть компоновки сводится к вызову из списка нужных аппаратов, устройств, конструктивных элементов и к их размещению на компоновочном чертеже (рис. 5-6).

Размещение символов на чертежах производится в соответствии с их типами из баз данных изделий и сборочных узлов модуля CADdy ET2 или собственной базы данных изделий модуля CADdy ET3. При этом конструктор может ограничиться заданием только размеров каждого элемента (когда на чертеже компоновки размещаются «параллелепипеды» с соответствующими позиционными обозначениями), а может использовать реалистичный двухмерный графический образ элемента в том виде, в котором этот 2D-символ будет размещаться на чертеже.

Модуль CADdy ET3 позволяет различать в перечне компоновки как аппараты, уже размещенные на чертеже, так и остальные. Каждый элемент, помещаемый на компоновочный чертеж, сразу же удаляется из соответствующего списка. Если при редактировании схемы размещения какой-либо элемент удаляется из чертежа, то система немедленно возвращает запись об этом элементе в список.

Габариты устройств, описанные в базе данных CADdy ET2, могут содержать информацию о допустимых зонах — минимальных расстояниях до соседних элементов. Система CADdy автоматически использует эти данные о «посадочных местах» размещаемых элементов при компоновке. При переносе аппарата из одного места чертежа в другое происходит автоматический перенос посадочного места под него. Это позволяет конструктору в любой момент проверить, не пересекаются ли габариты соседних элементов в трехмерном изображении шкафа.

В процессе создания компоновочного чертежа можно задать габариты кабельных каналов и места их расположения, по которым впоследствии будут проложены жгуты или кабели. Проектировщик имеет возможность указывать в базе данных товарные единицы не только для штучных товаров (например, крепежные элементы в коробках по 100 штук), но и для кабелей (например, катушки по 100 м). При размещении кабелей на компоновочном чертеже система автоматически контролирует суммарную длину уже использованных кусков кабеля каждой марки.

Если чертеж некоторой конструкции уже был разработан в одном из предыдущих проектов, то этот чертеж можно включить в текущий проект. При этом CADdy автоматически обновит базу данных проекта и все связанные с ней перечни. Если же предыдущий проект содержал изделия, уже не выпускающиеся на текущий момент, то проектировщику будет предложено выбрать аналог (того же типа) или самостоятельно описать это изделие в базе данных. В последнем случае можно будет импортировать необходимые данные из «старого» проекта в «новый», включая 2D- и 3D-образы этого изделия из соответствующей библиотеки символов. Это облегчает выдачу спецификаций на изделия в формате ЕСКД или принятом на конкретном предприятии (рис. 7), а также заказных спецификаций (рис. 8).

СГ: На какой элементной базе выполнены рассматриваемые АСУ?

В.П.: Прежде всего, необходимо упомянуть контроллеры поколения SIMATIC S7 с процессорами на девятислойных печатных платах фирмы Siemens AG. Это семейство контроллеров имеет очень широкую номенклатуру: от малых устройств, предназначенных для сбора и передачи информации, до мощнейших резервированных контроллеров с дублированием цепей и широким внутренним обменом информацией. Существенно развился (оставаясь простым в использовании) и язык программирования этих новых контроллеров STEP 7.

Для теплопечей мы сами выполнили и комплексную разработку проекта автоматики, и поставку необходимого оборудования, а также монтаж и пусконаладку. Указанный локальный блок автоматики полностью вписался в АСУТП установки подготовки нефти. Таким образом, был обеспечен полный контроль за взаимодействием разных подсистем печей в рамках АСУТП, а также сетевая структура всей системы с доступом оператора центрального поста к локальным подсистемам управления печами. Это — существенный момент, поскольку задачи протоколирования, архивирования и выдачи документов (например, почасовых и сменных рапортов) решаются с центрального поста управления в рамках всех компонентов АСУ.

Контракт по разработке АСУТП для ТПУ «Лангепаснефтегаз» предусматривал весь перечень заданий, включая проект технических средств, программное обеспечение, монтажные и пусконаладочные работы. Фирма Siemens взяла на себя поставку электротехнического оборудования, а инжиниринг (шкафы, посты управления с пультами, операторские станции) мы осуществили на производственной базе «Стальпроекта» и наших партнеров из фирмы СМС.

Было протестировано все программное обеспечение, связанное со SCADA-системами и подключением операторских станций, а также сетевые задачи связи с контроллерами, сами программируемые контроллеры и многое другое. После этого была проведена «прогонка» всего программного обеспечения системы визуализации, проверка формирования протоколов сообщений, всех выходных документов, аларм-протоколов при сбоях в работе оборудования и пр.

Проверка «внутренней» части АСУТП (программных реакций на сигналы контроллеров) и «внешней» ее части (например, работы датчиков температуры и давления, управляющей пневматики и гидравлики) должна быть комплексной. В проекте УПП такая проверка была выполнена на этапе монтажа и пусконаладочных работ в январе-феврале текущего года.

СГ: Проиллюстрируйте работу «готовой» АСУ в Лангепасе.

В.П.: С центрального поста поддерживается развитая система диагностики как по части АСУТП установки подготовки нефти, так и по блоку автоматики печи. Она обеспечивается системой визуализации технологических процессов, работающей под управлением WinCC, и включает регулярный автоматический «опрос» и соответствующий контроль всех модулей, всех входов контроллеров и другого оборудования. В WinCC были созданы макеты всех операторских станций АСУ, тогда как в разработке операторских панелей (рис. 9-10) использовалось программное обеспечение ProTool.

Эта АСУ сегодня является единственной системой такого интеллектуального уровня на подобных установках в России, и реализована она с использованием самых современных комплектующих (рис. 11).

СГ: Какие решения, предложенные вами для проектов АСУТП в Лангепасе и Кингисеппе, представляются вам наиболее перспективными?

В.П.: Проблемы, решаемые в указанных проектах, можно условно разделить на две группы. Общие задачи контроля тепловых режимов работы печей (такие, как регулирование параметров температуры, давления, контроль некоторых соотношений для продуктов сгорания и других составляющих процесса, «перекидка» клапанов регенеративной системы отопления, выдача регулярных отчетов и аларм-протоколов) решаются с помощью общеизвестных подходов. Что касается конкретных настроек для регулирования (например, оптимизации сжигания топлива и визуализации процессов плавления), то это — результат собственных разработок, выполненных в нашем отделе.

СГ: Каковы для вас основные различия двух рассматриваемых проектов АСУ — соответственно для Лангепаса и Кингисеппа?

В.П.: АСУТП стекловаренной печи по уровню применяемых технологий намного сложнее, чем АСУ для установки подготовки нефти. В ней втрое больше контролируемых и «обрабатываемых» параметров, разных типов датчиков и пр.

АСУТП стекловаренной печи позволяет программисту, технологу и специалисту по эксплуатации системы просмотреть все стадии контролируемых процессов: порядковые номера и наименования сигналов от датчиков, назначение приборов.

Кроме задач по автоматизации технологического процесса (управление тепловым режимом, контрольные функции) здесь существуют особые задачи оптимизации процессов сжигания в печи, связанные с необходимостью регулирования вредных выбросов — концентрации окислов азота. Другая важная задача — визуализация процессов плавления, соответствующая новой автономной подсистеме АСУ.

Эта интересная задача решается в условиях нашей страны впервые. Фактически здесь реализуются варианты оптического распознавания образов с выдачей управляющих команд. Видеосервер с подключенными видеокамерами (ориентированными на участок периодической загрузки шихты) обеспечивает постоянное слежение за площадью расплава, вся поверхность которого «виртуально» поделена координатной сеткой. На приближение шихты к «запрещенным» координатам система управления реагирует, например, повышением мощности плавильной установки. Естественно, будет использован специальный алгоритм управления повышением и понижением мощности.

Таким образом, предложенные нами макеты функционирования установки с динамически меняющимися измеряемыми параметрами позволяют решать весь комплекс задач, встающих перед технологами. Что касается остальных алгоритмов управления (процессами оптимизации сжигания топлива, подготовки шихты, собственно плавления), то здесь мы осуществляем программирование в соответствии с know-how, приобретаемым в Германии.

Подчеркнем, что создание и внедрение АСУТП для этого производства мы выполняем «под ключ» — от этапа проектирования до пусконаладки. Основные задачи проекта (в том числе выбор технических средств) на сегодня решены. Заказы по изготовлению шкафов размещены в московском ЦНИИ кибернетики и автоматики, где ранее уже монтировались четыре шкафа для блоков автоматики УПН в Лангепасе.

Поскольку сроки разработки и реализации очень сжатые, сегодня в нашем отделе и в СМС полным ходом идет программирование (как для «верхнего», так и для контроллерного уровня). Одновременно выполняются компоновка оборудования, размещение наших шкафов, детализация структурной схемы АСУ (включающей операторские станции, шкафы с контроллерами, регуляторами, пультами ручного управления на случай аварийной ситуации и выхода из строя автоматики и др.), а также описание свойств системы в виде макета визуализации для операторской станции.

СГ: Желаем вам дальнейших успехов.

Материал подготовлен Дмитрием Красковским

«САПР и графика» 5'2002